CN117043002A - 用于控制车辆的燃料电池能量系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制车辆中的能量存储系统(100)的方法，所述能量存储系统包括燃料电池能量转换装置(102)和接线盒(104)，所述接线盒被配置成将所述燃料电池能量转换装置连接到双向充电端口(106)和电推进系统(108)中的一者。所述方法包括：确定(200)车辆操作状态从驾驶模式到静止模式的变化；估计(202)静止持续时间；以及基于针对所述燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系，确定(204)所述燃料电池能量转换装置在所述静止期间是运转还是停止运行。

Description

用于控制车辆的燃料电池能量系统的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制车辆中的燃料电池能量转换单元的操作的方法和系统。
本发明可适用于重型车辆，诸如卡车、公共汽车和建筑装备。尽管将关于卡车描述本发明，但本发明并不仅限于此种特定车辆，而是还可用于包括为车辆提供动力的燃料电池的其他车辆。
背景技术
用于重型车辆的旨在补充或取代内燃发动机的替代动力源和推进系统得到越来越大的发展。一种此类动力源是能够将氢气转换成电能的燃料电池系统，其中电能继而可用于车辆推进。
当在重型车辆中使用燃料电池动力系统时，要求和操作条件与轿车中的燃料电池相比可有所不同。例如，重型车辆将更通常包括附加动力源，并且还更可能重型车辆(诸如卡车)可对除推进系统之外的系统具有更高的能量要求。此外，在包括多个动力源的车辆中，期望优化动力系统的操作以使动力源中的每一者达到可能最好的效率和寿命。
因此，期望改进包括燃料电池的车辆的动力系统的操作。
发明内容
本发明的目标是提供一种控制车辆中的能量存储系统的方法，所述方法旨在通过将由燃料电池能量转换装置的停止运行和重新起动所致的燃料电池劣化最小化来优化燃料电池的寿命。
根据本发明的第一方面，所述目标通过根据权利要求1所述的方法达成。
权利要求1描述一种控制车辆中的能量存储系统的方法。所述能量存储系统包括燃料电池能量转换装置和接线盒，所述接线盒被配置成将所述燃料电池能量转换装置连接到双向充电端口和电推进系统中的一者。所述方法包括：确定车辆操作状态从驾驶模式到静止模式的变化；估计静止持续时间；以及基于针对所述燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系，确定所述燃料电池能量转换装置在静止期间是运转还是停止运行。
本发明基于这样一种认识，即通过确定在车辆静止期间燃料电池是否应停止运行来延长车辆动力系统中的燃料电池的寿命。具体来说，与在停止期间使燃料电池系统运转相比，使所述燃料电池停止运行和重新起动可能致使燃料电池劣化得更多。可针对给定的实施方式和系统根据分析或根据经验来确定燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的关系。由此，基于此种已知关系，可将燃料电池劣化最小化。当燃料电池能量转换装置运转时，会产生能量，并且需要以最有利的方式利用所述能量。将在下文中描述如何操作燃料电池能量转换装置的几个选项。
根据本发明的一个实施方案，所述方法还包括：基于所述静止持续时间并且基于表征静止的至少一个其他参数来确定所述车辆在所述静止模式下所需要的能量；确定供应所述车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；以及基于燃料电池操作效率与所述所需的燃料电池负载之间的已知关系，确定是操作燃料电池以仅提供所述车辆所需要的所述能量，还是操作燃料电池以还产生除了所述车辆在静止期间所需要的所述能量之外的能量。
例如为了对睡眠车厢进行加热或冷却或者如果车辆的其他系统将需要能量，则重型车辆(诸如卡车)在静止期间仍可能需要大量的能量。因此，通过使用除了持续时间之外的表征静止的至少一个其他参数，可更准确地确定如何操作所述燃料电池来将劣化最小化。附加参数可以是例如由导航系统或由驾驶员提供的信息，所述信息指示所述停止是否是预先安排的停止，包括较长时间地停留在车厢中。附加参数还可以是关于需要一定量的能量的装载/卸载循环的信息。还可将环境温度考虑在内，原因在于环境温度可影响车辆能量需求和燃料电池劣化两者。由此，可确定能量需求和用于提供能量的对应燃料电池负载。
燃料电池负载的操作效率取决于燃料电池负载。具体来说，如果车辆所需的能量会导致燃料电池以小于最优的效率操作，则可控制燃料电池产生附加能量。
根据本发明的一个实施方案，所述方法还包括：当确定所述车辆在所述静止模式下所需的所述能量低于预定能量阈值时，操作所述燃料电池来提供等于或高于所述预定能量阈值的能量。为了避免以燃料电池劣化会加重的非常低的负载水平操作燃料电池，控制燃料电池来提供附加能量以减小燃料电池劣化。
根据本发明的一个实施方案，所述方法还包括：基于所述静止持续时间并且基于表征所述静止的至少一个其他参数来确定所述车辆在所述静止模式下所需要的能量；确定供应所述车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；确定在所述燃料电池能量转换装置停止运行的情况下在所述静止持续时间内的燃料电池劣化；确定在所述燃料电池能量转换装置提供所述车辆在静止期间所需要的所述能量的情况下在所述静止持续时间内的燃料电池劣化；以及选择燃料电池停止运行或燃料电池能量转换中实现最低的燃料电池劣化的选项。
根据本发明的一个实施方案，所述方法还包括：当可通过产生超过所述车辆所需要的所述能量的能量来提高所述燃料电池的所述操作效率时，操作所述燃料电池以产生超过所述车辆在静止期间所需要的所述能量的能量。此外，燃料电池有利地在静止期间以最优效率操作。
根据本发明的一个实施方案，所述方法还包括：检测通向能够接收电力的外部电源的连接；以及当操作所述燃料电池以产生除了所述车辆在静止期间所需要的所述能量之外的能量时，将剩余电力提供到电源，其中。要提供到电网的剩余电力的量是基于提供到所述电网的能量的售价。由此，可将由燃料电池产生的电力提供到外部电源，诸如电网或电池。此外，当将剩余电力销售到电网有利可图时，可将剩余电力销售到电网。具体来说，根据提供到电网的能量的销售价格并且根据产生能量的成本(从燃料成本和燃料电池劣化成本两方面来说)，可确定在车辆中产生能量并将所述能量销售到电网是否有利可图。因此，可优化车辆的总拥有成本。还可将上文所述的其他方面(诸如，在不同负载水平下的燃料电池效率)考虑在内以优化拥有成本，并且此外能量对电网的销售价格可随时间而改变。
根据本发明的一个实施方案，所述方法还包括：确定位于车辆中的电池的荷电状态；以及当操作燃料电池以产生除了车辆在静止期间所需的能量之外的能量时，如果电池的荷电状态低于预定阈值，则将剩余能量提供到所述电池。在包括电池的车辆动力系统中，使用剩余能量为车辆的电池充电可有利。这可允许燃料电池高效率地操作并且避免燃料电池劣化。
还提供一种计算机程序，所述计算机程序包括用于当所述程序在计算机上运行时执行前述实施方案中的任一者的步骤的程序代码装置；以及一种携载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括用于执行前述实施方案中的任一者的步骤的程序代码装置。
根据本发明的第二方面，所述目标通过车辆中的能量存储系统达成，所述能量存储系统包括：燃料电池能量转换装置；接线盒，所述接线盒将所述燃料电池能量转换装置连接到双向充电端口和电推进系统中的一者；以及能量存储系统控制单元，所述能量存储系统控制单元被配置成：确定车辆操作状态从驾驶模式到静止模式的变化；估计静止持续时间；以及基于针对所述燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系，控制所述燃料电池能量转换装置在静止期间运转或停止运行。
本发明的此第二方面的效果和特征很大程度上类似于上文结合本发明的第一方面所述的效果和特征。
以下描述和随附权利要求书中公开了本发明的另外的优点和有利特征。
附图说明
下文参考附图更详细地描述作为示例引用的本发明的实施方案。
在图式中：
图1是示出根据本发明的实施方案的能量存储系统的多个部分的框图，
图2是概述根据本发明的实施方案的控制能量存储系统的方法的步骤的流程图，
图3A至图3B是描述根据本发明的实施方案的能量存储系统中的燃料电池的特征的图，
图4是描述根据本发明的实施方案的能量存储系统中的燃料电池的特征的图，
图5是概述根据本发明的实施方案的控制能量存储系统的方法的步骤的流程图，且
图6是概述根据本发明的实施方案的控制能量存储系统的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
在本具体实施方式中，主要参考卡车中的能量存储系统论述根据本发明的能量存储系统和用于控制能量存储系统的方法的各种实施方案。应注意，这绝非限制本发明的范围，本发明同样适用于其他类型的车辆中、并且特别是重型车辆中的能量存储系统。
图1示意性地示出车辆的能量存储系统100，所述能量存储系统包括燃料电池能量转换装置102、氢气罐系统103、接线盒104，所述接线盒将燃料电池能量转换装置102连接到双向充电端口106和电推进系统108中的至少一者。双向充电端口能够从外部电源接收能量并将能量提供到电源。这种外部电源可以是例如连接到电网的充电站、电池或另一个车辆。
能量存储系统100还可任选地包括电池112，诸如被配置成向电推进系统108提供电力的高压电池。电推进系统108可被视为包括一个或多个电机，所述一个或多个电机直接或经由变速器装置连接到车辆的一个或多个车轮118。车辆还可包括用于车辆推进的内燃发动机(未示出)，并且内燃发动机、电池和燃料电池可一起受控制来以高效的方式向车辆提供动力。
能量存储系统100还包括被配置成控制能量存储系统100的能量存储系统控制单元(未示出)。控制单元可包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一个可编程装置。控制单元还可包括或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置或数字信号处理器。在控制单元包括可编程装置(诸如上文所提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。此外，能量存储系统控制单元的所述功能可由一个或多个车辆ECU(电子控制单元)提供。
首先参考概述根据本发明的实施方案的方法的步骤的图2的流程图描述控制单元的功能。控制单元被配置成执行所述方法，所述方法包括确定200车辆操作状态从驾驶模式到静止模式的变化的步骤。有很多方式确定车辆已进入静止模式，诸如基于来自导航系统或来自驾驶员输入的输入。静止模式可被定义为停止持续超过例如几分钟。换句话说，如果车辆在红灯时停止或在交通中静止，则这不被视为静止模式，除非另有具体定义。
接下来，估计202静止持续时间。静止的原因可以是例如午休、驾驶员强制性休息、停留过夜、渡船运输或停止的持续时间可由驾驶员或车辆系统以合理的准确性估计的其他类型的停止。因此，静止持续时间可基于来自车辆系统的一个或多个输入参数自动估计，或可由驾驶员手动设定。
接下来，基于针对燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系，所述方法包括确定204燃料电池能量转换装置102在静止期间是保持运转还是停止运行。
图3A至图3B是示出针对燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的示例性关系的图。然而，燃料电池劣化是一种复杂的现象，其可根据控制策略和系统性质而改变。因此，为了确保描述燃料电池劣化与静止持续时间之间的关系的模型的准确性尽可能准确，优选地基于描述具体系统的参数来确定并调谐所述模型。然而，一般来说，停止运行持续时间越长，燃料电池劣化越严重。
图3A示出在停止运行之后的第一时间周期302期间劣化具有缓慢线性增大的示例性图300。在某一时间点处，劣化更迅速地增大304，后续接着劣化缓慢增大306的另一周期。在较长的时间周期(诸如24至48h)之后，劣化可被视为随时间推移而恒定。
图3B示出其中劣化具有第一线性增大312、后续接着劣化逐渐地增大(所述劣化可假设将在稍后变平稳)的周期314的示例。可基于燃料电池的选定控制策略至少部分地控制随时间推移的劣化。由此，可选择在给定持续时间内最有利的控制策略。以图3A至图3B中的一般示例为例，在停止较长时间的情况下，使用会造成图3A的燃料电池劣化的控制策略可因此更有利。
因此使用针对给定系统而言的在燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系来确定并控制在静止期间是否使燃料电池停止运行。所述确定可例如基于劣化阈值而做出，其中如果预期的持续时间将导致劣化高于预定劣化阈值，则确定使燃料电池停止运行。此外，在静止期间操作燃料电池还是使燃料电池停止运行的决策可取决于各种附加参数，所述附加参数将在下文中加以详述。
根据图5的流程图所概述的本发明的一个实施方案，所述方法还包括基于静止持续时间并且基于表征静止的至少一个其他参数来确定500车辆在静止模式下所需要的能量。如果静止的持续时间和性质是已知的，则可假设能足够准确地估计车辆的能量需要。具体来说，可使用静止的原因来估计能量需求，并且静止的原因可以是例如燃料停供、午休、装载/卸载、停留过夜、渡船运输或者可能需要能量或可能不需要能量的任何其他原因。因此，基于停止的性质和/或基于驾驶员的输入，可确定车辆所需要的能量。一种示例性情景是驾驶员停下过夜并且想要在车厢中睡觉，这意味着车厢在夜间可能需要加热。表征静止的另一个参数是车辆是否连接到外部充电站以及此种充电站是否能够接收由车辆产生的能量，将在下文中对此加以更详细论述。
接下来，所述方法包括确定502供应车辆在静止期间所需要的能量所需的燃料电池负载。可认为能高度准确地获悉燃料电池系统的能量转换性质，使得可基于所估计的能量需求确定由此而来的燃料电池负载。
此外，基于燃料电池操作效率与所需的燃料电池负载之间的已知关系，确定504是操作燃料电池以仅提供车辆所需要的能量，还是操作燃料电池以还产生除了车辆在静止期间所需要的能量之外的能量。图4示意性地概述燃料电池效率随燃料电池负载而变化的示例。在此，可看到在负载非常低的情况下，效率也低。由此，如果车辆的能量需要造成燃料电池的低负载，则可确定使燃料电池停止运行并且所需的能量由另一动力源(诸如电池)提供。
图6是概述根据本发明的另一实施方案的方法的步骤的流程图。所述方法包括基于静止持续时间并且基于表征静止的至少一个其他参数确定600车辆在静止模式下所需的能量。上文阐述了用于确定车辆所需的能量的参数的示例。
接下来，所述方法包括：确定602供应车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；确定604在燃料电池能量转换装置停止运行的情况下在静止持续时间内的燃料电池劣化；以及确定606在燃料电池能量转换装置提供车辆在静止期间所需要的能量的情况下在静止持续时间内的燃料电池劣化。基于前述确定，所述方法包括选择608燃料电池停止运行或燃料电池能量转换中实现最低的燃料电池劣化的选项。如果燃料电池停止运行，则车辆所需要的能量可由例如电池或从外部动力源提供。
在燃料电池操作期间还会发生某种燃料电池劣化，这必须与由于停止运行而发生的劣化进行权衡。在燃料电池操作期间的劣化取决于燃料电池负载，其中在负载非常低的情况下，劣化比较高。因此，在负载非常低的情况下，燃料电池效率低，且劣化高。因此可存在期望操作燃料电池以提供比车辆所需的能量更多的能量以有效地减小燃料电池劣化的情况。接着可使用由燃料电池提供的多余能量来为内部电池充电，或如果可能可将多余能量提供到电网。影响产生剩余能量的决策的另一个因素可能是提供到电网或任何其他外部电力存储装置的能量的价格。因此，如果产生能量的成本低于支付所产生的能量的价格和/或如果产生剩余能量能导致较低的燃料电池劣化，则将能量销售到电网可有利可图。
在上述方法中可考虑在内的另一个因素是温度，其中较低的环境温度可导致车辆有较高的能量需求，例如用于加热车厢。由于燃料电池停止运行所致的燃料电池劣化也与温度相关，其中较低的温度导致较高的燃料电池劣化。因此，在较低的温度下，更期望避免燃料电池在静止期间停止运行。然而，所产生的能量必须存储或用于车辆中，或提供到外部动力源(诸如电网)。此外，低温还可导致较高的能量价格，在此种情形下，与将能量存储在车辆的电池中相比，将能量从燃料电池提供到电网可更有利。此外，在此种情况下，可控制燃料电池高效地操作。
在以上情景中的任一者中，如果产生超过车辆在静止期间所需的能量的能量会使得燃料电池的操作效率提高，则还可操作燃料电池以产生超过车辆在静止期间所需的能量的能量。基于图4中的燃料电池效率与燃料电池负载之间的一般关系，一种示例性情景是车辆所需的能量较低，在此种情形下可优选地增大燃料电池的负载并且将附加能量用于别处。这提供了以最优的燃料电池效率操作燃料电池的机会。
此外，所述方法和系统还可包括：确定位于车辆中的电池的荷电状态；以及当操作燃料电池以产生除了车辆在静止期间所需的能量之外的能量时，如果电池的荷电状态低于预定阈值，则将剩余能量提供到电池。因此，可在将多余能量提供到电网之前为车载电池充电。
能量存储系统控制单元被配置成控制图1中所示出的能量存储系统100执行上文所述的实施方案中的任一者的步骤。
应理解，本发明并不仅限于上文描述和附图中示出的实施方案；而是，技术人员将认识到，可在随附权利要求书的范围内做出很多变化和修改。

Claims (15)

1.一种控制车辆中的能量存储系统(100)的方法，所述能量存储系统包括燃料电池能量转换装置(102)和接线盒(104)，所述接线盒被配置成将所述燃料电池能量转换装置连接到双向充电端口(106)和电推进系统(108)中的一者，其中所述方法包括：
确定(200)车辆操作状态从驾驶模式到静止模式的变化；
估计(202)静止持续时间；以及
基于针对所述燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系，确定(204)所述燃料电池能量转换装置在所述静止期间是运转还是停止运行。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
基于所述静止持续时间并且基于表征所述静止的至少一个其他参数来确定(500)所述车辆在所述静止模式下所需要的能量；
确定(502)供应所述车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；以及
基于燃料电池操作效率与所述所需的燃料电池负载之间的已知关系，确定(504)是操作所述燃料电池以仅提供所述车辆所需要的所述能量，还是操作所述燃料电池以还产生除了所述车辆在静止期间所需要的所述能量之外的能量。
3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：当所述车辆在所述静止模式下所需要的所述能量低于预定能量阈值时，操作所述燃料电池来提供等于或高于所述预定能量阈值的能量。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
基于所述静止持续时间并且基于表征所述静止的至少一个其他参数来确定(600)所述车辆在所述静止模式下所需要的能量；
确定(602)供应所述车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；
确定(604)在所述燃料电池能量转换装置停止运行的情况下在所述静止持续时间内的燃料电池劣化；
确定(606)在所述燃料电池能量转换装置提供所述车辆在静止期间所需要的所述能量的情况下在所述静止持续时间内的燃料电池劣化；以及
选择(608)燃料电池停止运行或燃料电池能量转换中实现最低的燃料电池劣化的选项。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，所述方法还包括：
当能够通过产生超过所述车辆所需要的所述能量的能量来提高所述燃料电池的所述操作效率时，操作所述燃料电池以产生超过所述车辆在静止期间所需要的所述能量的能量。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，所述方法还包括在静止期间以最优的效率操作所述燃料电池。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述方法还包括：
检测通向能够接收电力的外部电力供应器的连接；以及
当操作所述燃料电池以产生除了所述车辆在静止期间所需要的所述能量之外的能量时，将剩余电力提供到所述外部电源，其中，要提供到电网的剩余电力的量是基于提供到所述电网的能量的售价。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述方法还包括：
确定位于所述车辆中的电池的荷电状态；以及
当操作所述燃料电池以产生除了所述车辆在静止期间所需的所述能量之外的能量时，如果所述电池的所述荷电状态低于预定阈值，则将剩余能量提供到所述电池。
9.一种计算机程序，所述计算机程序包括用于当所述程序在计算机上运行时执行如权利要求1至8中任一项所述的步骤的程序代码装置。
10.一种携载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码装置，所述程序代码装置用于当程序产品在计算机上运行时执行如权利要求1至8中任一项所述的步骤。
11.一种用于车辆的能量存储系统(100)，所述能量存储系统包括：
燃料电池能量转换装置(102)；
接线盒(104)，所述接线盒将所述燃料电池能量转换装置(102)连接到双向充电端口(106)和电推进系统(108)中的一者；以及
能量存储系统控制单元，所述能量存储系统控制单元被配置成：
确定车辆操作状态从驾驶模式到静止模式的变化；
估计静止持续时间；以及
基于针对所述燃料电池能量转换装置而言的燃料电池劣化与燃料电池停止运行持续时间之间的已知关系，控制所述燃料电池能量转换装置在所述静止期间运转或停止运行。
12.根据权利要求11所述的能量存储系统，其中所述能量存储系统控制单元还被配置成：
基于所述静止持续时间并且基于表征所述静止的至少一个其他参数来确定所述车辆在所述静止模式下所需要的能量；
确定供应所述车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；以及
基于燃料电池操作效率与所述所需的燃料电池负载之间的已知关系，确定是操作所述燃料电池以仅提供所述车辆所需要的所述能量，还是操作所述燃料电池以还产生除了所述车辆在静止期间所需要的所述能量之外的能量。
13.根据权利要求11所述的能量存储系统，其中所述能量存储系统控制单元还被配置成：
基于所述静止持续时间并且基于表征所述静止的至少一个其他参数来确定所述车辆在所述静止模式下所需要的能量；
确定供应所述车辆所需要的能量所需的燃料电池负载；
确定在所述燃料电池能量转换装置停止运行的情况下在所述静止持续时间内的燃料电池劣化；
确定在所述燃料电池能量转换装置提供所述车辆在静止期间所需要的所述能量的情况下在所述静止持续时间内的燃料电池劣化；以及
选择燃料电池停止运行或燃料电池能量转换中实现最低的燃料电池劣化的选项。
14.根据权利要求11所述的能量存储系统，所述能量存储系统还包括连接到所述接线盒的电池，其中所述能量存储系统控制单元还被配置成：
确定所述电池的荷电状态；并且
当操作所述燃料电池以产生除了所述车辆在静止期间所需的所述能量之外的能量时，如果所述电池的所述荷电状态低于预定阈值，则控制所述接线盒将剩余能量提供到所述电池。
15.一种车辆，所述车辆包括根据权利要求11至14中任一项所述的能量存储系统。
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